Кинетическое, равновесное и термодинамическое исследование адсорбции метиленового синего на биочаре из апельсиновой кожуры, подготовленном методом микроволнового пиролиза

Превращение пищевых отходов в помощников для очистки воды

Каждый кусок ярко окрашенной ткани или бумаги оставляет невидимое наследие в реках: упорные красители, которые трудно разлагаются и могут вредить водной жизни и здоровью человека. В этом исследовании рассматривается удивительно простая идея для решения этой проблемы — использование выброшенной апельсиновой кожуры, преобразованной в материал, похожий на уголь, чтобы извлекать распространенный синий краситель из воды. Оттачивая процесс изготовления этого материала и способы его применения, исследователи показывают, что фруктовые отходы могут стать эффективным инструментом для очистки промышленных сточных вод.

Почему синие красители трудно удалить

Текстильная и смежные отрасли сбрасывают в воду сотни тысяч тонн синтетических красителей ежегодно, часто без достаточной очистки. Метиленовый синий, насыщенный синий краситель, используемый в тканях, бумаге и даже в медицине, особенно стойкий. Даже малые количества способны окрасить воду в интенсивный цвет, блокируя свет, понижая содержание кислорода и создавая стресс для водных экосистем. Из‑за устойчивой молекулярной структуры красителя традиционные методы, такие как химическое окисление или биопроцессы, могут быть дорогими, неэффективными или приводить к нежелательным побочным продуктам. Это стимулировало поиск более дешевых, чистых материалов, которые могут поглощать красители до того, как они попадут в реки и озера.

От апельсиновой кожуры к очищающему углероду

Фабрики по производству апельсинового сока по всему миру генерируют миллионы тонн кожуры ежегодно, большая часть которой просто выбрасывается. Команда превратила эти отходы в биочар — пористое, углеродсодержащее твердое вещество — с помощью микроволнового пиролиза, процесса, который быстро нагревает кожуру в условиях почти полного отсутствия кислорода. Всего за 15 минут при контролируемой мощности микроволн кожура преобразовалась в темный, стабильный материал с высоким содержанием углерода и щелочной поверхностью. Детальные тесты показали, что полученный биочар сохранил кислородсодержащие химические группы, имел поры, крупные по сравнению с размерами молекул красителя, и содержал золу, богатую минералами, что делало его поверхность сильно основой. Все эти свойства обещают хорошую способность притягивать и удерживать положительно заряженные загрязнители из воды.

Как кислотность воды влияет на эффективность

Ключевой вопрос в этой работе заключался в том, как кислотность или щелочность воды — ее pH — влияет на удаление красителя. Исследователи сравнили два сценария: один, в котором pH тщательно поддерживали постоянным, и другой, в котором он позволялся естественно меняться. Они обнаружили, что слегка кислые условия, около pH 4, дали наилучшие результаты, удаляя примерно 83% синего красителя. При этих контролируемых условиях максимальное количество красителя, которое мог удержать биочар, составляло около 20,6 миллиграмма на грамм материала, примерно на 83% больше, чем в случае с неконтролируемым pH. Это улучшение наблюдалось несмотря на то, что поверхность самого биочара имеет тенденцию быть щелочной — ситуация, которая обычно могла бы препятствовать притяжению положительно заряженного красителя к материалу. Результаты показывают, что регулирование и поддержание оптимального pH так же важно, как и выбор сорбента.

Что происходит на поверхности

Чтобы понять, как краситель прилипает к биочару, команда объединила микроскопические изображения, инфракрасную спектроскопию и математические модели скорости и прочности захвата красителя. Данные, зависящие от времени, лучше всего соответствовали модели, предполагающей наличие на поверхности многих различных типов участков, каждый со своим энергетическим барьером, что указывает на гетерогенную картину адсорбции. Равновесные тесты — измерение того, сколько красителя остается в растворе после контакта — хорошо описывались моделью, в которой фиксированное число участков формирует один слой присоединенных молекул. Термические расчеты показали, что процесс спонтанен и немного поглощает тепло, а вовлеченные энергии достаточно малы, чтобы исключить сильное химическое связывание. Вместо этого доминируют мягкие физические взаимодействия, такие как водородные связи и штабелирование кольцевых структур красителя рядом с подобными участками в углеродной матрице.

Простой путь к чищеой воде

С практической точки зрения это исследование показывает, что неактивированный биочар из апельсиновой кожуры, полученный с помощью микроволновой обработки, может выступать в роли прочного и недорогого фильтрующего материала для удаления метиленового синего из воды при условии правильного контроля pH. Материал производится из обильных сельскохозяйственных отходов, быстро и с относительно небольшим затратами энергии, и не требует дополнительных шагов химической активации. Хотя другие специально обработанные углеродные материалы могут удерживать еще больше красителя, этот биочар из апельсиновой кожуры предлагает более чистую и устойчивую альтернативу. Уточняя влияние pH и мягких физических взаимодействий на эффективность, работа указывает на масштабируемые стратегии в рамках циркулярной экономики, при которых обычные пищевые отходы помогают захватывать промышленные загрязнители до их попадания в окружающую среду.

Цитирование: Correa-Abril, J., Cabrera, E.V., Robles, N. et al. Kinetic, equilibrium, and thermodynamic study of Methylene Blue adsorption on orange peel biochar prepared by microwave-assisted pyrolysis. Sci Rep 16, 8310 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36741-6

Ключевые слова: очистка сточных вод, биочар, апельсиновая кожура, метиленовый синий, микроволновой пиролиз